Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Характеристика производств асбесто-строительных и технических изделий как источника загрязнения окружающей среды 10
1.2. Анализ существующих способов очистки газовых потоков от асбестовой пыли 14
1.3. Анализ теоретических исследований и существующих математических моделей процессов улавливания пыли в аппаратах центробежного действия 22
1.4. Существующие методы расчета аппаратов для центробежного разделения пыли 25
1.5. Выбор направления исследований 28 Выводы по первой главе 29
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПЫЛИ ПРОИЗВОДСТВА АСБЕСТОВО-СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 31
2.1. Основные физико-химические свойства асбестово-строительной пыли 31
2.2. Методика дисперсного анализа пыли асбестово-строительных изделий 34
2.3. Результаты анализа дисперсного состава асбестовой пыли, отходящей от источников пылевыделений и выбрасываемой в атмосферу. 36
Выводы по второй главе 39
ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ОТ ПЫЛИ.
3.1. Совершенствование конструкций центробежных сепараторов 41
3.2. Моделирование процесса осаждения пыли в центробежном сепараторе и инженерная методика расчета центробежных сепараторов 47
3.3. Экспериментальные исследования центробежных сепараторов 67
3.3.1. Описание экспериментальной установки и методик экспериментальных исследований 67
3.3.2. Определение эффективности улавливания мелкодисперсных волокнистых пылей производства асбестово-строительных изделий 72
3.3.3. Определение аэродинамического сопротивления центробежных сепараторов 74 Выводы по третьей главе 77
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 79
4.1 Результат обследования систем аспирации в производстве асбестоцементных изделий. 79
4.2. Разработка компоновочных схем очистки пылевых выбросов и сепарации пыли производства асбестово-строительных изделий и их сепарации 84
4.3. Разработка технических решений по повышению эффективности улавливания и сепарации пыли производства асбестово-строительных изделий в разработанных системах пылео-чистки 88
4.4. Совершенствование методов расчета и оптимизация технологических режимов процессов очистки выбросов от мелкодисперсной пыли производства асбестово-строительных изделий
5. Эколого-экономическая эффективность применения разработанных систем пылеулавливания и разделения 98
1. Системы пылеулавливания в производстве асбестовых технических изделий 98
2. Системы пылеулавливания в производстве асбестовых строительных материалов 107 Выводы по четвертой главе 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Характеристика производств асбесто-строительных и технических изделий как источника загрязнения окружающей среды
- Основные физико-химические свойства асбестово-строительной пыли
- Экспериментальные исследования центробежных сепараторов
Введение к работе
Производство строительных и технических изделий на основе асбеста сопровождается образованием значительного количества асбестовой пыли. При этом основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносится выбросами пыли с размерами частиц до 10 мкм.
В сложившейся на предприятиях отрасли практике наибольшее распространение для обеспыливания выбросов получили циклоны и рукавные фильтры Опыт эксплуатации этих аппаратов показывает, что вследствие особенностей физико-химических свойств асбестовой пыли необходимая степень улавливания не обеспечивается (наиболее мелкие фракции с размерами частиц менее 5 мкм циклонами практически не улавливаются; рукавные фильтры забиваются волокнистой асбестовой пылью), в результате чего концентрация пыли в атмосферном воздухе на границе санитарно-защитной зоны предприятия в 7-10 раз превышает норматив ПДК.
С другой стороны, по существующей классификации асбестовая пыль, содержащаяся в выбросах в атмосферный воздух, относится к 4 классу опасности. В настоящее время уловленная пыль, не может быть использована в технологическом процессе, поскольку для производства строительных изделий на основе асбеста необходимо предварительное разделение ее на фракции. Уловленная пыль в основном вывозится на полигоны промышленных отходов, причём класс опасности такого вида отхода 1, и является источником вторичного загрязнения окружающей природной среды.
Таким образом, является актуальным решение задачи совершенствования конструкций пылеулавливающих аппаратов и разработки компоновочных схем систем пылеулавливания как для обеспечения высокой степени очистки выбросов, так и для одновременного разделения уловленной пыли на фракции с целью последующего использования в производстве строительных изделий на основе асбеста.
Работа выполнялась в соответствии с ГРНТИ № 87.53.13 и № 87.53.15 «Изучение, разработка и моделирование способов и технологий очистки и утилизации отходящих газов, сточных вод и твердых отходов», а также тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного технического университета.
Целью работы является снижение негативного воздействия на
окружающую среду асбестовой пыли, содержащейся в выбросах
предприятий по производству строительных материалов и технических
изделий с использованием асбеста, посредством повышения эффективности
очистки и организации возврата уловленного продукта в технологический
процесс, достигаемых в результате совершенствования конструкции
пылеуловителей и компоновки систем пылеулавливания.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- оценка технологического оборудования как источника пылевыделений,
определяющего мощность выбросов асбестовой пыли в атмосферу;
исследование дисперсного состава и обобщение данных об основных свойствах асбестовой пыли;
разработка расчетной модели, описывающей закономерности движения пылевых частиц в пылеуловителе-сепараторе при ламинарном течении пылевоздушного потока;
разработка конструкции пылеуловителя-сепаратора для улавливания асбестовой пыли;
разработка схем компоновки систем обеспыливания выбросов с пылеуловителями-сепараторами для улавливания и разделения на фракции асбестовой пыли;
теоретическая и экспериментальная оценка эффективности разработанных аппаратов;
разработка методики инженерного расчета разработанных пылеуловителей-сепараторов.
Основная идея работы состоит в использовании процесса сепарации для обеспечения максимальной эффективности улавливания мелкодисперсных фракций асбестовой пыли с одновременным разделением уловленного материала на фракции в установках обеспыливания.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ, лабораторные и опытно-промышленные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений механики газа и теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментальных исследований, и подтверждена удовлетворяющей сходимостью теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях, патентной чистотой разработанного технического решения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
разработана расчетная модель и получены аналитические зависимости, описывающие закономерности движения частиц асбестовой пыли в пылеуловителе-сепараторе при ламинарном течении пылевоздушного потока;
получены аналитические зависимости, характеризующие эффективность пылеуловителя-сепаратора с учетом конструктивных характеристик и режимно-технологических параметров аппарата;
- установлены экспериментальные зависимости, характеризующие
эффективность и аэродинамическое сопротивление разработанного
пылеуловителя-сепаратора;
- определены и систематизированы данные об основных свойствах пыли,
образующейся при производстве строительных и технических изделий на
основе асбеста.
Практическое значение работы:
- разработаны конструкции пылеуловителей-сепараторов для очистки
выбросов от асбестовой пыли, новизна которых подтверждена патентами РФ
(№2180260, №2187382);
разработаны и апробированы компоновочные схемы систем обеспыливания выбросов с пылеуловителями-сепараторами для предприятий по производству строительных материалов и технических изделий на основе асбеста;
разработана инженерная методика расчета предложенных пылеуловителей-сепараторов;
- разработаны рекомендации по проектированию систем обеспыливания
выбросов с пылеуловителями-сепараторами для предприятий по
производству строительных материалов и технических изделий на основе
асбеста.
8 Реализация результатов работы:
- рекомендации по проектированию, выводы и научные результаты
работы внедрены ПТБ ПСО "Волгоградгражданстрой" при разработке
проектной документации для предприятий отрасли;
проведена реконструкция систем обеспыливания выбросов производства строительных материалов на основе асбеста на ОАО "Себряковский комбинат асбестоцементных изделий" (ОАО СКАИ);
проведена реконструкция систем обеспыливания выбросов производства технических изделий на основе асбеста на ОАО "Волжский завод асбестовых технических изделий" (ОАО ВАТИ);
материалы диссертационной работы использованы кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов". На защиту выносятся:
- расчетная модель и аналитические зависимости, описывающие
закономерности движения частиц асбестовой пыли в пылеуловителе-
сепараторе при ламинарном течении пылевоздушного потока;
аналитические зависимости, характеризующие эффективность пылеуловителя-сепаратора с учетом конструктивных характеристик и режимно-технологических параметров аппарата;
- экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность и
аэродинамическое сопротивление разработанного пылеуловителя-
сепаратора;
- результаты исследования состава и основных свойств пыли,
образующейся при производстве строительных и технических изделий на
основе асбеста.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: V традиционной научно-технической конференции стран СНГ "Процессы и оборудование экологических производств" (Волгоград, 2000); научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 2000, 2001); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета.
Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 8 работах, в том числе в двух патентах РФ на изобретения.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 135 страницы, в том числе: 112 страниц - основной текст, содержащий 25 таблиц на 21 страницах, 48 рисунков на 39 страницах; список литературы из 117 наименований на 9 страницах, 2 приложения на 11 страницах.
Характеристика производств асбесто-строительных и технических изделий как источника загрязнения окружающей среды
Большинство этапов технологического процесса производства асбесто-технических изделий (дробление, рассеивание, перемещение асбеста) сопровождаются интенсивным пылевыделением. Основным загрязнителем является пыль асбеста, основная часть которой удаляется системами аспирации, а часть выделяется в воздух помещения цеха и удаляется естественным путем через фонари и не плотности в наружных ограждениях.
Рассмотрим производство шифера, асбестоцементных труб и деталей различного назначения как источника пылевыделении на примере предприятий стройиндустрии.[22,28,50,73]
При производстве шифера волнового в заготовительном отделении асбест, транспортирующийся в бумажных мешках, растаривается, обминается, распушивается для приготовления асбестовой массы. Из дозаторов асбест подается транспортером в бегуны для обминання с увлажнением и далее выгружается в гидросушитель, после которого асбестовая суспензия подается в гидросмеситель, куда загружается порция цемента [22,28,50,73].
Анализ технологического процесса на предприятиях асбесто-цементных изделий позволил выделить основные источники пылевыделения, которыми являются: дозаторы закачки асбеста, элеваторы, конвейера бегуны, станки для выпиливания шифера и места растаривания асбеста. Данные о величинах выделений пыли от оборудования приведены в табл. 1.1 [9,50,53,56,73]. Характеристика технологического оборудования как источника пылевыделений [50].
Наименование технологического оборудования Производительность системы аспирации,м3/ч Величина пылевыделений, кг/ч в систему аспирации Не организованно
Элеватор 4150 1,9-3,5 0,2-0,3
Бегуны 3980 1,2-2,1 0,1-0,3
Ленточный транспортер 8100 6,1-10,5 0,5-0,8
Дозатор асбеста 11020 3,3-7,4 0,6-1,2
Станок для выпиливания шифера 860 0,5-0,8 0,1-0,4
Станок для зачистки листа 2950 2,6-4,7 0,4-0,5
Станок для резки асбестовых труб 2370 2,0-2,8 0,4-0,7
При производстве асбестоцементных труб приготовление асбестоце-ментной смеси аналогично шиферному производству. На склад асбест поставляется в полиэтиленовых мешках по 45 кг в прессованном виде. Рабочие на складе высыпают асбест из мешков в бункера дозаторов, откуда он транспортером подается в дозатор. Транспортёр частично дробит прессованный асбест. В дозаторе также происходит смешение различных марок асбеста. Анализ технологического процесса позволил выделить основные источники пылевыделения, ими являются: дозаторы закачки асбеста, элеваторы, конвейера бегуны, станки для резки асбестоцементных труб. Замеры величины выделений пыли от оборудования для производства асбестоцементных труб также соответствуют данным, приведенным в табл. 1.1 [22,28,50,73].
Качественный состав производственных вредностей, выделяющихся от источников пылевыделения цехов асбестового производства, определяется главным образом используемыми сырьевыми материалами.
Результат анализа систем аспирации от технологического оборудования цехов асбестового производства представлен в табл. 1.2 [9,49, 53,56,73].
Система пылеудаления Производительность системы аспирации,м3/ч Концентрация пыли,г/м3 Медианныйдиаметр,мкм
От дозаторов закачки асбеста 2990 0,58 30-60
От мест растаривания асбеста 5930 0,57 50-120
От дозатора, башмака элеватора, конвейера и бегунов 3808 0,84 20-25
От дозатора, башмака и головки элеватора и бегунов 3048 0,74 20-25
От 4 дозаторов 6140 0,20 30-40
От дозаторов и транспортёра 6400 0,41 30-40
От бегунов и транспортёра 3585 0,66 5-Ю
Анализ фракционного состава пыли показал, что наиболее крупная пыль удаляется от мест растаривания асбеста и дозаторов, а более мелкая пыль — от бегунов, и объединение в одну сеть местных отсосов удаляющих пыль разного фракционного состава недопустимо.
Эффективность работы аспирационного оборудования представлена в табл. 1.3 [9,49,53,56,73].
В состав предприятий по производству асбестово-технических изделий могут входить несколько цехов, в которых в качестве сырья используется асбест. В приготовительном цехе осуществляется обработка и развеска ингредиентов для приготовления асборезиновых смесей для паронита и фрикционных изделий сухим методом в резиносмесителях. На всех участках приготовительного цеха имеет место выделение пыли сложного состава, включающего в себя не только асбест, но и другие примеси. Основным источником пыления являются резиносмесители [22,28,73].
Основные физико-химические свойства асбестово-строительной пыли
Асбест - минерал волокнистого строения, способный при механическом воздействии распадаться на тонкие волокна, состоящие из кристаллов моноклинной сингонии (системы) [22,28,32,73] Волокно хризотилового асбеста имеет трубчатую структуру с наименьшим диаметром волокна в 180 ангстрем (рис. 2.4).
Химический состав асбеста одного из крупных месторождений Баже-новского, % по массе: Si02 - 42,1; MgO - 40,8; А1203 - 0,7; Fe203 - 1,1; FeO -0,5; воды адсорбционной -1,4; воды конституционной (в молекуле) - 13; органических веществ - 0,4 [22,28].
Асбест - высокотермостойкий материал, обладающий жаро- и огнестойкостью. Его основные термические характеристики следующие [22,28]:
- удаление свободно-сорбированной (гигроскопической) влаги 100 120С;
- удаление структурно-связанной (кристаллизационной воды) при 350-450С;
- разрушение структуры кристалла — 600-750С;
- температура плавления хризотил-асбеста — 1500-1550С, крокидоли-та-1150-1200С.
Асбест является жаростойким материалом и может эксплуатироваться при температуре 500-550С, кратковременно - до 700С
Классификация асбеста предусматривает 8 сортов и 39 марок (в зависимости от длины волокна и содержания пыли, гали). Для первых трех сортов характерны волокна длиной 16-9 мм, их относят к текстильным. Асбест 3 - 8-го сортов с длиной волокна 9 - 0,7 мм и менее применяют в строитель 32 ных материалах. Содержание волокна в этих сортах составляет 50-24 % по массе, остальное - пыль, галь и другие неволокнистые включения.
Кусковой асбест состоит из агрегатов с недеформированными волокнами, которые имеют не менее 2 мм в поперечнике. Иголками считают агрегаты с недеформированными волокнами размером менее 2 мм в поперечнике. Хризотил-асбест огне- и биостоек. Теплопроводность кускового асбеста 0,35 - 0,41 Вт/(м К), а распушенного со средней плотностью - 80, 123 и 165 кг/м - соответственно 0,055, 0,065 и 0,072 Вт/(м К).
Для определения кажущейся плотности, представляющей собой массу единицы объёма частиц, включая объём закрытых пор, был использован манометрический способ [22,27,28,32]. Метод основан на законе Бойля-Мариотта, согласно которому при одной и той же температуре произведение давления на объём массы газа остаётся постоянным.
Прибор для определения плотности порошков манометрическим способом состоит из измерительной колбы, жидкостного манометра и резервуара с мерной трубкой, которые через краны соединяются с напорным сосудом, заполненным водой. Объём воздуха в пустом приборе при атмосферном давлении В составляет V„. После уменьшения этого объёма на величину V,, давление соответственно возрастает на АР/, т.е. объём газа VQ-Vh будет находиться под давлением В+ АР, По закону Бойля-Мариотта:
В пространство V0 помещается определённое количество исследуемого порошка Gm занимающее объём Vn. Свободный объём прибора при этом станет равным V2, будет меньше V0 на объём, занимаемый пылью (V2=Vo-Vn), и будет находиться под давлением В+АР2.
Тогда формула для вычисления объёма пыли имеет вид [28]
V„=V,B( АР г АР,)/ АР, АР 2, м3 (2.1) и плотность материала частиц будет равна [28]: p=G„/V„, кг/м3.
Насыпная плотность пылей (т.е. масса единицы объёма порошкообразного материала, свободно насыпанного в какую-либо ёмкость непосредственно после её заполнения) определяется с помощью установки, состоящей из мерного цилиндра с прямым кольцом, воронки и штатива. После предварительного взвешивания мерный цилиндр наполнялся исследуемым материалом, затем снималось приёмное кольцо, и удалялся избыток порошка на уровне верхнего обреза цилиндра. После взвешивания цилиндра с содержимым насыпная плотность определялась по формуле [22, 28,32]
G2 -вес цилиндра с материалом, кг; V -объём мерного цилиндра, м .
Для асбеста кажущаяся плотность составила 2600 кг/м3 , насыпная плотность -2300 кг/м .
Удельную поверхность можно определить на анализаторе дисперсных порошков (АДП-1) с использованием уравнения Козени-Кармана: пробы, г см с ; т - время фильтрации через слой пробы, с; m - масса пробы, г .
Прибор АДП-1 служит для измерения времени изменения давления в заданных пределах шкалы жидкостного манометра при фильтрации воздуха через фиксированную навеску кокса и рассчитываю удельную поверхность по формуле (2.3). Удельная поверхность асбеста составляет 20 м7г.
Для оценки эффективности пылеулавливания необходимо знать основные физико-химические свойства асбеста, а главное, дисперсный состав пыли.
Объем проведенных исследований включал: определение дисперсного состава пыли асбеста; определение плотности и удельной поверхности пыли асбеста; исследования основных физико-химических свойств асбеста; определение токсических свойств асбеста.
Для исследования основных свойств пыли, образующихся при производстве асбестотехнических и асбестоцементных изделий были отобраны пробы дисперсного материала. Отбор проб осуществлялся из систем аспирации, обслуживающих технологическое оборудование и процессы, характеризующиеся наиболее интенсивным пылеобразованием [2,31,57,79,82].
Из отобранных проб приготовлялись навески необходимой массы, для проведения ситового анализа - 100 г [2,31]. При этом сокращение пробы проводилось путём квартования конусов крестообразным делителем [2,31], а перемешивание пыли перед проведением анализа - методом накатки [31].
Для исследования дисперсного состава асбестовой пыли, выделяющейся от технологического оборудования, пыль отбиралась из систем аспирации, обслуживающих технологическое оборудование и процессы. Для проведения сравнительного анализа дисперсного состава пыли в системе аспирации отбор проб осуществлялся на входе и на выходе из системы.
Подготовка препаратов для проведения дисперсионного анализа методом микроскопии проводилась в следующем порядке. Фильтры АФА с отобранными пробами пыли размещались на предметном стекле, запылённой стороной к стеклу, приклеивались по краям, и подвергались воздействию паров ацетона, что позволяло получить тонкую прозрачную плёнку с прочно зафиксированными пылевыми частицами [2,24].
Изучение дисперсного состава асбестовой пыли проводилось при помощи цифрового микроскопа МС 200 DIGITAL. Для удобства выполнения дисперсионного анализа изображение сразу представляется в электронном виде.
Графическая обработка полученного изображения предполагает: выделение рабочей области изображения, сохранение в формате Windows Bitmap в чёрно-белом режиме [2,57].
Экспериментальные исследования центробежных сепараторов
Схема экспериментальной установки очистки газа от пыли в центробежном сепараторе приведена на рис. 3.10
Она включает центробежный сепаратор 2, в который тангенциально по газопроводу 18 подается запыленный воздух. Количество подаваемого на очистку воздуха регулируют шибером 11. Уловленная в сепараторе пыль поступает в бункер-накопитель 1, а очищенный воздух отсасывается вентилятором и по газопроводам 8 и 10 выбрасывается в атмосферу.
Для равномерной подачи пыли в поток воздуха служит питатель, состоящий из бункера 14, вращающегося диска 15, плужкового сбрасывателя 12 и приемной течки 13.
Под действием разрежения в газопроводе 10, создаваемого вентилятором, атмосферный воздух поступает в сепаратор, эжектируя пыль, подаваемую дозатором. Электродвигатель, вращающий дозировочный диск, включен в электросеть через регулятор напряжения, что позволяет регулировать частоту вращения диска и тем самым изменять количество пыли, вносимой в воздушный поток.
Динамическое давление воздуха на входном и выходном участках установки измеряют микроманометром 17 с помощью пневмометрических трубок 7 и 20. Статическое давление газа на тех же участках измеряют жидкост 69 ным манометром 16.
Пробы воздуха для определения запыленности до и после сепаратора отбирают с помощью газозаборных трубок 9 и 19 под действием вакуума, создаваемого вакуум-насосом. Для выделения пыли из отобранных проб воздуха служат АФА-фильтры, закрепленные в держателях 4 и 6. Количество воздуха, отсасываемого вакуум-насосом, измеряется ротаметрами 3 и 5.
Выходной патрубок сепаратора снабжен регулируемым электроприводом 21, позволяющим вращать его с заданной скоростью, контролируемой электроконтактным тахометром.
В представленной схеме основным аппаратом является экспериментальный центробежный сепаратор 1 с внутренним диаметром цилиндрической части 90мм (входной патрубок имеет размеры 85x25 мм).
Фотография сепаратора, входящего в состав экспериментальной установки, представлена на рис. 3.11.
Экспериментальные замеры проводились в соответствии с принятыми стандартными методиками [7,8,42,57].
С использованием трубки Пито и микроманометров ММН-250, определялись: общий расход воздуха в установке; расход пылегазовой смеси; аэродинамические характеристики.
Оценка эффективности улавливания осуществлялась на основе сопоставления поступающей и выходящей массы пыли, определяемых путем отбора проб и измерений в замерных сечениях воздуховодов, и контролируемых по весу пыли в пылесборнике. Для измерения запыленности использовался стандартный комплект пылеза борного оборудования, разработанного и изготовленного НИИОГАЗ. Отбор проб осуществлялся одновременно во всех замерных сечениях, чем обеспечивалась идентичность отбора проб в каждом из сечений режиму работы системы и поступления пыли.
